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摘要：一座城市健康与否和这座城市传承和流淌着的文化是密切相关的，为解决“文化枢纽”——公共图书馆的系列问题，我们设计了一款对图书进行系统化归还和整理的装置。该装置使用了红外线传感器与单片机控制技术，实现将书本从还书筐运输到指定位置并进行整理。该装置首先使用条形码扫描及显示模块可以准确识别归还书本的具体信息，红外感应模块识别还书框中的书本位置以及还书过程中突发遇到的障碍物，同时用单片机判断处理进而控制驱动模块将书本归还至指定位置。旨在将繁重的人工工作通过该装置转变为方便快捷，实现健康城市与文化传承的高强度结合。
关键词：图书归还和整理系统 ; 红外传感 ;单片机 ; 传感器 ;智能整理
中图分类号 ：TN929 文献标识码 ：A
引言
经调查研究发现，现如今各大图书馆或书店的规模与人流量和图书管理员的人数常不成正比，每日面对几百甚至几千本图书的借出和归还，致使图书管理员的工作量、压力大，往往疲于应付，同时由于效率不高，导致读者借书和还书耗费时间过久，以致在还书处出现了“书堆”等不雅的场景，与此同时也提高了人力成本，加重图书馆运营所要投入的资本压力。这种书本的归还与整理无法满足当代人们快生活的需求。因此，为了实现对书本更好的归还和整理，为了城市文化更好的传承和保留，我们根据现代科技发展的基础，设计该全自动智能还书装置，体现了物理学对城市文化保护的作用，来进一步铸就“健康城市”之魂。
1总体设计结构
本套装置从实现由传统人工向现代机械演变的实验教改装置设计及其思路方法出发，主要运用自动化装置实行对人力的替代性，如人眼主要用于观察事物，而传感器可以判断是否有书、规划路线、获取书本存放位置;双手是人操作的主要工具，而机械臂可以夹取书本;人主要通过人脑控制行动，而单片机可以操控小车是否前行、车的前进方向及机械臂的抓取角度。
2系统设计
本装置以红外感应技术、单片机和传感器为基础，主要构成为四部分：主CPU、机械臂、运动结构、蓄电池组。上位机扫描条形码，并做识别部分。下位机作为控制整个还书系统的运动以及机械臂的运动还有一些传感器的使用，使用 stm32L4 系列的单片机。机械臂就是夹取书本的机械结构。运动结构包括行进电机和整体车架子等等。通过该装置，可以准确方便的实行图书的归还和整理。
2.1 系统结构单元
2.1.1简介 系统结构示意图如图1所示。1是驱动板，2是主控板，3是大电源蓄电池，4是小电源蓄电池，5是舵机控制板，6是红外传感器，7是握爪，8是机械臂，9是条形码扫描器，10是底板，11是外壳，12是电机。
2.1.2单片机 单片机1驱动板用于通过驱动电机转动来使轮胎转动驱动小车运行， 单片机2主控板用于接收红外传感器6的数值来得到当前书柜是否有书以及接收灰度条传感器得到的数值来控制小车的方向。单片机5是舵机控制板用于通过控制舵机来控制机械臂8和握爪7的方向和角度。
2.1.3传感器 红外传感器6分别为远红外和近红外，近红外用于小车运行过程中查看前方是否有障碍物，远红外用于小车检测前方书架上是否有书存放。灰度条传感器13用于小车循线行走，使小车能够沿着指定的路线和方向前行。条形码扫描器9用于扫描书本上的条形码获取书本的书架位置。
2.1.4外壳 底板10用来支撑电源，支架15用来固定红外传感器，外壳11用来作为小车车身的外壳，14是橡胶制作的轮胎。
3 工作原理與逻辑流程
3.1工作原理
按照图1连接好装置并安装好程序，启动程序后，初始化参数：
（1）检测红外感应探头6在当前书架位置检测是否有书籍，有书籍则触发自动还书系统进入（2）。
（2）条形码码扫描器9对当前书籍上的条形码进行图像识别扫描，在数据库里查询得到书籍的原始位置，并通过串口通讯发到上位机，并显示在显示屏上，进入（3）。
（3）单片机5通过舵机控制机械臂，夹住书本，并拿出来，进入（4）。
（4）按照上位机得到的书籍位置，通过灰度条传感器13扫描地上的白线，按照白线行走，若在途中红外传感器6识别到障碍物则停下，障碍物消失后才继续运行，直到找到指定位置，执行（5）。
（5）条形码扫描器9对当前书籍上的条形码再次进行图像识别扫描，发到CPU，与小车当前所在的位置进行比较，若一样，则确定书籍位置放置正确，执行（6）;若不一样，则继续执行（4）。
（6）单片机5通过舵机控制机械臂，将原先夹住的书本放在对应的书架上。执行（7）。
（7）小车回到原来位置，放下一本书。
3.2 自动还书系统特点
（1）设置一个红外传感器来检测还书书架上是否有待还的书本。一旦有人还书，就会触发红外传感器，从而启动自动还书系统，若没有人还书，则系统一直处于检测是否有人还书的状态中，体现了系统的智能识别。
（2）设置多个舵机来控制机械手臂的运行，每个舵机控制一节机械手臂，通过舵机旋转的角度不同来调整手臂的各种角度和方向，从而进行书本的夹取和放置，同时针对不同高度的书架，进行相应的调整，体现了系统的适应性。
（3）设置灰度条来进行路段的识别，移动过程通过循线完成，地面由一个个方格组成，每个十字点都有自己的坐标点，通过坐标点来确认书本的放置位置。若在寻线过程中出现人、书架等障碍物会触发红外传感器，小车会停留几秒，若红外感应器仍被触发，则另择路前行。该设计成功识别了障碍物，体现了系统的实用性。
（4）小车通过扫描书本上的条形码来获取书本的位置，在小车到达指定书架位置时，还会进行二次扫描，检测是否出错，确保了系统的准确性和智能性。
4 结论
本装置使用了红外线传感器与单片机控制等技术，以及针对于图书的系统化归还和整理的处理。本装置可以在图书馆、书店、书房等所有存在书籍借阅频繁的场所中使用，尤其适用于书籍数量繁多的情况。该装置操作简单、机动性强、适用性强且智能准确，人机关系友好，可长时间在固定地点工作，不需要经常拆装。智能还书装置是以目前图书归还与人力资源分配不均匀为背景，应用条形码扫描及显示模块可以准确识别归还书本的具体信息，减轻了图书管理员的扫描入库工作，解放了人力，同时节省了时间。再通过红外感应模块识别换书框中的书本位置以及还书过程中突发遇到的障碍物，适应任何运输途中的突发情况，做到真正的全自动智能化。此装置让图书归还与整理方便快捷，且后续的开发中，可改变机械手臂的形状以及扫码器的应用范围，将被运放的物体不单单局限于书本，还可以扩展为包裹、垃圾等需要人力去进行分类整理的物品，真正实现技术“保护人”、“解放人”的目的，成为可靠的分类整理助手。
参考文献
[1]许洪祥. 让文化的传承和弘扬成为城市之魂[N]. 新华日报，2016-08-23（014）.
[2]侯菊梅.公共图书馆发展现状与对策研究[J].智库时代，2018（31）：192+199.
[3]李伟民. 高校自助图书馆管理系统的设计与实现[D].吉林大学，2014.
作者简介：诸奇超（1998-），男，汉族，浙江绍兴，大学本科，绍兴文理学院研究方向：物理学。
基金项目：课题：2019年绍兴文理学院校级学生科研课题，项目名称：全自动智能还书装置
关键词：图书归还和整理系统 ; 红外传感 ;单片机 ; 传感器 ;智能整理
中图分类号 ：TN929 文献标识码 ：A
引言
经调查研究发现，现如今各大图书馆或书店的规模与人流量和图书管理员的人数常不成正比，每日面对几百甚至几千本图书的借出和归还，致使图书管理员的工作量、压力大，往往疲于应付，同时由于效率不高，导致读者借书和还书耗费时间过久，以致在还书处出现了“书堆”等不雅的场景，与此同时也提高了人力成本，加重图书馆运营所要投入的资本压力。这种书本的归还与整理无法满足当代人们快生活的需求。因此，为了实现对书本更好的归还和整理，为了城市文化更好的传承和保留，我们根据现代科技发展的基础，设计该全自动智能还书装置，体现了物理学对城市文化保护的作用，来进一步铸就“健康城市”之魂。
1总体设计结构
本套装置从实现由传统人工向现代机械演变的实验教改装置设计及其思路方法出发，主要运用自动化装置实行对人力的替代性，如人眼主要用于观察事物，而传感器可以判断是否有书、规划路线、获取书本存放位置;双手是人操作的主要工具，而机械臂可以夹取书本;人主要通过人脑控制行动，而单片机可以操控小车是否前行、车的前进方向及机械臂的抓取角度。
2系统设计
本装置以红外感应技术、单片机和传感器为基础，主要构成为四部分：主CPU、机械臂、运动结构、蓄电池组。上位机扫描条形码，并做识别部分。下位机作为控制整个还书系统的运动以及机械臂的运动还有一些传感器的使用，使用 stm32L4 系列的单片机。机械臂就是夹取书本的机械结构。运动结构包括行进电机和整体车架子等等。通过该装置，可以准确方便的实行图书的归还和整理。
2.1 系统结构单元
2.1.1简介 系统结构示意图如图1所示。1是驱动板，2是主控板，3是大电源蓄电池，4是小电源蓄电池，5是舵机控制板，6是红外传感器，7是握爪，8是机械臂，9是条形码扫描器，10是底板，11是外壳，12是电机。
2.1.2单片机 单片机1驱动板用于通过驱动电机转动来使轮胎转动驱动小车运行， 单片机2主控板用于接收红外传感器6的数值来得到当前书柜是否有书以及接收灰度条传感器得到的数值来控制小车的方向。单片机5是舵机控制板用于通过控制舵机来控制机械臂8和握爪7的方向和角度。
2.1.3传感器 红外传感器6分别为远红外和近红外，近红外用于小车运行过程中查看前方是否有障碍物，远红外用于小车检测前方书架上是否有书存放。灰度条传感器13用于小车循线行走，使小车能够沿着指定的路线和方向前行。条形码扫描器9用于扫描书本上的条形码获取书本的书架位置。
2.1.4外壳 底板10用来支撑电源，支架15用来固定红外传感器，外壳11用来作为小车车身的外壳，14是橡胶制作的轮胎。
3 工作原理與逻辑流程
3.1工作原理
按照图1连接好装置并安装好程序，启动程序后，初始化参数：
（1）检测红外感应探头6在当前书架位置检测是否有书籍，有书籍则触发自动还书系统进入（2）。
（2）条形码码扫描器9对当前书籍上的条形码进行图像识别扫描，在数据库里查询得到书籍的原始位置，并通过串口通讯发到上位机，并显示在显示屏上，进入（3）。
（3）单片机5通过舵机控制机械臂，夹住书本，并拿出来，进入（4）。
（4）按照上位机得到的书籍位置，通过灰度条传感器13扫描地上的白线，按照白线行走，若在途中红外传感器6识别到障碍物则停下，障碍物消失后才继续运行，直到找到指定位置，执行（5）。
（5）条形码扫描器9对当前书籍上的条形码再次进行图像识别扫描，发到CPU，与小车当前所在的位置进行比较，若一样，则确定书籍位置放置正确，执行（6）;若不一样，则继续执行（4）。
（6）单片机5通过舵机控制机械臂，将原先夹住的书本放在对应的书架上。执行（7）。
（7）小车回到原来位置，放下一本书。
3.2 自动还书系统特点
（1）设置一个红外传感器来检测还书书架上是否有待还的书本。一旦有人还书，就会触发红外传感器，从而启动自动还书系统，若没有人还书，则系统一直处于检测是否有人还书的状态中，体现了系统的智能识别。
（2）设置多个舵机来控制机械手臂的运行，每个舵机控制一节机械手臂，通过舵机旋转的角度不同来调整手臂的各种角度和方向，从而进行书本的夹取和放置，同时针对不同高度的书架，进行相应的调整，体现了系统的适应性。
（3）设置灰度条来进行路段的识别，移动过程通过循线完成，地面由一个个方格组成，每个十字点都有自己的坐标点，通过坐标点来确认书本的放置位置。若在寻线过程中出现人、书架等障碍物会触发红外传感器，小车会停留几秒，若红外感应器仍被触发，则另择路前行。该设计成功识别了障碍物，体现了系统的实用性。
（4）小车通过扫描书本上的条形码来获取书本的位置，在小车到达指定书架位置时，还会进行二次扫描，检测是否出错，确保了系统的准确性和智能性。
4 结论
本装置使用了红外线传感器与单片机控制等技术，以及针对于图书的系统化归还和整理的处理。本装置可以在图书馆、书店、书房等所有存在书籍借阅频繁的场所中使用，尤其适用于书籍数量繁多的情况。该装置操作简单、机动性强、适用性强且智能准确，人机关系友好，可长时间在固定地点工作，不需要经常拆装。智能还书装置是以目前图书归还与人力资源分配不均匀为背景，应用条形码扫描及显示模块可以准确识别归还书本的具体信息，减轻了图书管理员的扫描入库工作，解放了人力，同时节省了时间。再通过红外感应模块识别换书框中的书本位置以及还书过程中突发遇到的障碍物，适应任何运输途中的突发情况，做到真正的全自动智能化。此装置让图书归还与整理方便快捷，且后续的开发中，可改变机械手臂的形状以及扫码器的应用范围，将被运放的物体不单单局限于书本，还可以扩展为包裹、垃圾等需要人力去进行分类整理的物品，真正实现技术“保护人”、“解放人”的目的，成为可靠的分类整理助手。
参考文献
[1]许洪祥. 让文化的传承和弘扬成为城市之魂[N]. 新华日报，2016-08-23（014）.
[2]侯菊梅.公共图书馆发展现状与对策研究[J].智库时代，2018（31）：192+199.
[3]李伟民. 高校自助图书馆管理系统的设计与实现[D].吉林大学，2014.
作者简介：诸奇超（1998-），男，汉族，浙江绍兴，大学本科，绍兴文理学院研究方向：物理学。
基金项目：课题：2019年绍兴文理学院校级学生科研课题，项目名称：全自动智能还书装置